创新实践基地企业博士后研究项目立项表
企业主要产品及市场分析
枫岭生物自主开发的FTC-2000型荧光定量基因扩增仪可广泛应用于医院，大学，研究机构从事基因研究。
荧光定量基因扩增仪近几年来得到长足发展，并被广泛应用于传染病（如非典，禽流感，爱滋病），遗传病，癌症等疾病的诊断，转基因生物改良、动植物检疫、动物性别判断和法医。
从市场竞争和普及化的角度看，发展趋势是进一步提高性价比。
为此，本项目提出的研究目标是，制造销售价格在10万元的、具有荧光定量功能的、重量在10公斤以下的便携式基因扩增仪。
以其高性价比和小型化特点，占领广大基层医院、疾病预防、环境监测、现场检验检疫及战地防生化市场。
进口定量PCR扩增仪的平均价格折合人民币30~60万元，而国产仪器价格也要18~40万元。
这对终端用户的提出了较高的财力要求，限制了定量基因扩增仪这一造福人类仪器的使用。
当然，低端用户可以选用单价数万元的定性PCR扩增仪，但定量仪器的使用毕竟是大势所趋。
随着社会的发展和人民生活水平的提高，公众对疾病诊断的精准预期也在不断提高。
小至感冒病毒、大到严重危害人类健康的烈性传染病或生化灾难，定量基因扩增仪都能发挥其独到的定量诊断作用（我国首例非典患者的确诊就是借助基因扩增技术完成的）。
有鉴于此，开发具有自主知识产权的便携价廉的定量基因扩增系统，替代昂贵的进口产品，满足国内基层医疗机构以及相关部门的迫切需要，也就成了中国企业家和科学家的共同责任。
定价10万元的便携式定量PCR扩增仪的性价比占据无可比拟的竞争优势。
这类仪器在国内的市场预计见表2。
未来5年内的总需求量约2万台，市值20亿元。
对于一个高科技小型企业，一旦拥有自主知识产权的样机问世，将可能抢占15%以上的市场份额，形成制造销售-开发提高-技术更新的良性循环。
从国际竞争的角度看，目前国外公司的小型定量基因扩增仪售价在35万元人民币，可见国产化的便携式低价位定量PCR仪不仅在国内市场、而且在国际市场具有强大竞争力。
项目的提出及可行性分析
1．国内外现状、水平和发展趋势
在传染性疾病的诊断和治疗中，快速探明致病病毒（如SARS病毒、禽流感病毒）的存在,并进行定量分析十分重要。
对此，荧光定量基因扩增仪具有强大优势。
荧光定量PCR（聚合酶链式反应Polymerase chain reaction）基因扩增仪通过DNA探针和荧光技术来探测样本中的的特异病毒DNA结构，能在数十分钟内微量DNA样品可被拷贝106-108倍[1，2]。
与其它基于免疫反应的测定方法相比，荧光定量PCR基因扩增仪（以下简称荧光定量PCR仪）具有在潜伏期探测病毒的突出优势[3-7]。
对确诊患者，荧光定量PCR仪可以被用来测定致病病毒数量的变化，这一方面能实现病情监视，更重要的是，它能对抗病毒药物的疗效作出评估。
而在疫区或疫源地，致病病毒的早期快速诊断则能为控制疾病蔓延争取宝贵的时间。
正是由于上述优势，定量PCR扩增仪在最近十余年得到了长足发展[8-12]，并已被广泛用于遗传病、传染病、癌症、艾滋病等疾病的诊断、转基因生物改良、动植物检疫、动物性别判断和刑事侦破。
1986年，美国PerkinElmer公司在国际上最早推出PCR仪[13], 此后，PCR仪的主要发展趋向是实时定量。
当今主要PCR 仪生产商有美国的PE Applied Biosystems Inc.、Bio-Rad Laboratories Inc.、MJ Research、Cepheid、Stratagene；澳大利亚Corbett Research；日本大和科学株式会社；英国Techne；瑞士Roche等。
国内近年PCR仪制造（包括技术引进和合资）商有上海复星实业、上海枫岭生物技术公司、杭州博日科技有限公司，厦门安普利生物工程有限公司和珠海黑马医学仪器有限公司。
从技术上看，目前定量PCR扩增仪的主要发展趋势是小型化；从市场竞争和普及化的角度看，发展趋势是进一步提高性价比。
为此，本项目提出的研究目标是，制造销售价格在10万元的、具有荧光定量功能的、重量在10公斤以下的便携式PCR扩增仪。
以其高性价比和小型化特点，占领广大基层医院、疾病预防、环境监测、现场检验检疫及战地防生化市场。
2．科学技术价值、特色
（1）热循环仪高精度温控
热循环仪高精度温控是定量PCR扩增仪中的一项核心技术[14-17]。
该技术的代表性专利是PerkinElmer公司申请的[18-20]。
其特点是：加热采用加热薄膜，制冷采用冷冻剂；试管与解热/冷却部件之间用铝板提高温度均匀性；样品温度采用非直接测量；顶盖温度采用PID控制；控制软件含有故障诊断；控制算法引入了机理模型；温控精度+/-0.1℃；温度均匀性+/-0.5℃。
本申请项目的特点是：采用了半导体制冷器，加热制冷（电流反向）一体化；试管与半导体制冷器之间用铝板提高温度均匀性；样品温度采用间接测量；多个半导体制冷器子回路的独立控制，以补偿铝板周边热量损失，提高整体温度均匀性；顶盖温度控制采用了“死区ON/OFF”控制；控制软件包括故障诊断、温度超限报警功能以及模型自动辨识、修正功能；采用包括BANG-BANG控制、模糊控制、PID控制的复合式控制算法。
上述特点与PerkinElmer公司的专利[18-20]内容有较大差别，在提高升降温速度、确保稳态控制精度和温度均匀性方面有创新。
采用周期性自动辨识技术在线更新控制算法中的参数，补偿因元件老化引起的整机特性变化，保持系统运行性能的长期稳定。
（2）光路
现有定量PCR扩增仪的荧光检测系统[21-23]是从检测样品基座的上部将激光照射到样品试管内，再从基座上部收集样品管内瞬间激发的荧光实现检测。
这样，对样品试管帽盖的透光性和材料质量要求特别高（否则会发生光路紊乱）。
同时，由于基座上部接收荧光的金属较复杂，荧光在路经通道的散射和衰减较大，导致检测灵敏度低，硬件成本居高不下。
本项申请的特点是：荧光检测系统由带滤色片的光源、置于光源前倾斜45°的双向镜、与光源同一轴心线上的96根光纤束和相应的样品池组成，每根光纤束分别导入各个样品池基座底部的小孔中。
在该系统中，光纤导入样品池基座的底部，直接在反应管管壁部位实现荧光的激发和接收，除去了荧光散射和光强度衰减的现象，提高了荧光定量基因扩增仪的检测灵敏度，降低了硬件成本。
（3）系统软件
荧光定量PCR扩增仪系统软件完成各半导体制冷器控制回路与上位机间的无故障通信、上位机对各加热控制回路的参数设定和显示、测试结果的外参定量计算及测试数据的输出、故障诊断和温度超限报警。
软件在LabView7.0平台上开发，功能上确保样机的先进性。
(4) 成本
热循环仪高精度温控及上位机系统软件由上海交通大学开发完成，其开发费用大大低于国外产品。
另一方面，荧光检测硬件成本占定量PCR扩增仪总成本的三分之二，上述光路系统的创新可将光路系统硬件开销降为原来的10%。
同时也节约了传统复杂荧光检测系统的人工调试费用和模具费。
附件三
项目拟解决的关键技术问题
研究内容和技术关键
课题研究的总体目标和创新点，主要内容及所需要解决的技术关键
1．总体目标开发具有自主知识产权的、小型荧光定量基因扩增系统。
2．研究内容
（1）光路系统
在先期研究成果（中国发明专利“定量基因扩增仪的荧光检测系
统”，发明人：吴元民、张凯、罗氏立格、聂晓峰，公开
号1423118，公开日：2003.06.11）的基础上，将对光路系统进行重
新开发、设计,以达到缩小体积、降低成本、提高性能之目的。
a)光源部分：拟采用高密度低能耗的光源，如半导体激光器、大功率
LED光源替代目前的卤钨灯，提高光源的使用寿命（从数百小时提高
到上万小时）、降低能耗（200瓦下降至几瓦）；缩小光源部分占用的
体积空间（新系统的体积为原系统的1/5）。
b)检测光路：在原专利的基础上，对其光路的加工和安装工艺，进行二
次开发，使整个检测光路的安装、调试更为可靠。
（2）紧凑型系统布局和工艺设计
便携式PCR扩增仪要求系统控温组件、荧光采集组件和控制终端的结构布局更为紧凑；系统布局的创新改进将牵涉到各组件工艺设计的改进，以同时满足新机型在检测时间、检测灵敏度等方面的要求。
（3）热循环仪温度控制
在定量基因扩增仪中，特异性DNA片段扩增反应在三段温度下周期性地进行，每个周期内包括DNA片段高温变性、低温下与引物退火、中温度下DNA 延伸。
这三个不同温度下的变性、退火和延伸循环进行，使DNA量获得指数型倍增。
在这一过程中，仪器热循环仪控制精度决定了最终拷贝数和定量诊断精度。
因此提高升温/降温速度、温度均匀性、稳态温控精度和减小超调是热循环仪控制的重要内容。
本课题所采用的控制策略是：在升降温的前期，采用“Bang-Bang”控制（即极限速率控制）策略来获取最快的升降温速度；
在中间阶段，采用自适应模糊控制策略，即借助模糊控制的粗调特点来确保升降温速度，同时又可兼顾减少超调的目标；在升降温末期,采用二自由度PID控制策略，即为了避免由于设定值突变而导致的控制量输出饱和，令微分作用(D)直接由输出变量驱动，而比例和积分(PI)由偏差驱动。
这样可以更好地抑制系统超调、缩短调节时间、消除残差。
上述控制策略除“Bang-Bang”控制外均由过程模型支持。
三个控制算法的最佳切换时间的确定是高精度快速温控技术的关键。
针对元器件缓慢老化导致系统特性发生改变的情况，下位机控制器采用离散时间段系统辨识技术及时修正模型和控制参数，确保系统的最优运行状态。
（4）下位机控制电路及软件设计
下位机系统包括了两个独立的单片机子系统：扩增反应温度控制单片机和荧光数据采集单片机，它们分别采用标准的RS232串行接口和标准的并行接口和上位机进行数据交换。
其中，温度控制用单片机子系统采用了集成度高、可靠性强的美国AD公司的单片机，主要功能模块包括：扩增反应温度控制、激发光源控制、光信号采集，检测光路，、上下位机通讯接口、顶盖温度控制（稳定反应的现场环境）、故障报警及保护等；荧光数据采集子系统亦以单片机为核心，硬件包括CCD照相机和CCD照相机控制器，主要功能有：CCD内部温度控制、曝光时间控制及数据采集控制，并将样品的荧光强度图像上传到上位机进行进一步的数据处理。
（5）上位机系统软件
采用LabView7.0软件平台，上位机系统软件包括前台系统实时监控和后台数据处理两部分。
实时监控包括反应温度控制器的设定值给定、实时监控反应周期、确定信号采集的时刻、数据、温度响应曲线绘制、温度设定值显示、实时荧光数据曲线显示等。
监控程序通过串口实现对PCR反应的控制，通过并口实现数据采集。
所以，在主界面的基础上需要两个后台处理程序实现对两个独立的单片机子系统的协调控制和数据传输。
PCR反应后台控制处理程序根据系统所处的不同的状态，实现对当前温度的设定、读取，并控制步进电机。
数据处理后台处理程序对下位机上传的荧光强度图片进行识别，利用外标法计算DNA浓度。
小型PCR扩增仪的上位机系统软件适用的操作系统为Windows98/2000/NT/XP，配备中英文操作界面。
界面将弥补进口机只有
英文操作软件的诸多不便和国产其它品牌机型操作界面繁琐的缺点，简单、亲切。
项目完成后的实用价值、市场前景及可产
生的经济和社会效益
1．题成果对社会发展的作用
目前除天花、脊髓灰质炎等少数疾病得到有效控制外，大多数传染病的防治任务仍很艰巨。
老传染病持续存在、原已被控制传染病死灰复燃、新传染病不断出现和已知病原体耐药性的急剧增加，使21世纪我国传染病预防和控制面临严峻挑战。
前阶段的非典和禽流感危机让我们警醒：严重传染病不仅危害人类健康，而且关系着一个国家稳定、国防安全与经济的可持续发展。
传染病的防治主要赖以及时诊断、早期预防控制和有效治疗。
而对于危害极大的烈性传染病，早期预防和控制无疑对国家的经济发展具有重大的战略意义。
应用小型荧光定量基因扩增系统可实现对传染性疾病的现场快速诊断，对于疫情（如非典、禽流感等）发生初期的传染源控制非常重要；另外，荧光定量基因扩增技术在恶性肿瘤、遗传性疾病、临床新药开发、基因突变和基因组研究等方面应用同样具有深远的现实意义。
本项目的开展实施，将对我国正在迅速普及和蓬勃发展的PCR应用技术起到积极的推动作用。
2．本课题经济效益和产业化前景
单位：万元、万美元
年份产值利润税收节汇创汇
2006 300 50 10 30 0
2007 2000 400 200 200 50
2008 6000 1200 600 600 100
吴元民
课题责任人
学历：博士
技术专长：化学、激光化学、生物技术和表面物理
主要经历：
1999.6-至今 Funglyn Biotech Inc.（加拿大和上海）总经理荧光定量基因扩增系统的研究与开发 1996-1998 Lorne Park Research Inc.( 加拿大) 研究员分子生物学/基因突变的研究
1994-1996 加拿大多伦多大学博士后激光化学的研究
1990-1994 英国伦敦大学皇后玛丽学院化学系博士半导体表面物理与化学的研究
1984-1989 华东理工大学讲师微波等离子体/CVD生长超细薄膜1982-1984 华东理工大学硕士研究生微波脱硫
1978-1982 华东理工大学本科化学工程
近年来获得的中国,美国和欧洲专利清单
（1）专利公开号:CN1423118)定量基因扩增仪的荧光检测系统。
（2）专利申请号:011391618,实时荧光定量基因扩增仪的光信号检测方法和光路系统
（3）专利号ZL01274389.5“实时荧光定量基因扩增仪光路系统”。
（4）US6060242: PNA diagnostic methods
Issued date: May 9, 2000
Inventors:Nie; Eileen Xiao-Feng .Thornhill, Canada, Wu; Yuan Min,Thornhill, Canada
（5）US6046004: Solution hybridization of nucleic acids with antisense probes having modified backbones
Issued Date : April 4, 2000/May 22,1998
Inventors:Wu; Yuan Min ,Thornhill , Canada, Nie; Eileen Xiao-Feng, Thornhill, Canada
（6）US5846729: Assaying nucleltides in solution using a fluorescent intensity quenching effect
Issued Date: Dec. 8, 1998
Inventors:Wu; Yuan Min ,Thornhill , Canada, Nie; Eileen Xiao-Feng, Thornhill, Canada
（7）EP1080222 DYNAMIC HYBRIDIZATON SYSTEM
Publication date: 2001-03-07
Inventors: NIE EILEEN XIAO-FENG (CA); WU YUAN MIN (CA) （8）EP1078101A SOLUTION HYBRIDIZATION OF NUCLEIC ACIDS WITH ANTISENSE PROBES HAVING MODIFIED BACKBONES
Pubilcation date: 2001-02-28
Inventors: NIE EILEEN XIAO-FENG (CA); WU YUAN MIN (CA) （9）EP1078100 QUANTITATIVE METHOD FOR DETECTING NUCLEOTIDE CONCENTRATION
Publication date:2001-2-28
Inventors: NIE EILEEN XIAO-FENG (CA); WU YUAN MIN (CA) （10）EP1002125 A ASSAYING NUCLEOTIDES IN SOLUTION USING A FLUORESCENT INTENSITY QUENCHING EFFECT
Publication date: 2000-05-24
Inventors: NIE EILEEN XIAO-FENG (CA); WU YUAN MIN (CA) （11）EP0975800 A ASSAYING NUCLEOTIDES IN SOLUTION USING A PROBES
Publication date: 2000-02-02
Inventors: NIE EILEEN XIAO-FENG (CA); WU YUAN MIN (CA)。
